KR101306986B1 - 박막 형성 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 형성 장치에 관한 것으로, 기판을 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 설치되어 상기 기판에 용액을 제공하는 스프레이 노즐과, 그리고 상기 챔버 내에 설치되어 상기 기판을 가열하는 히터를 포함할 수 있다. 상기 히터는 상기 기판이 균일한 온도를 갖게끔 가열하고, 상기 스프레이 노즐은 상기 기판에 상기 용액을 스프레이식으로 제공할 수 있다. 본 발명에 의하면, 상기 기판 상에 원하는 화학조성 및/또는 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있다.
Description
본 발명은 박막 형성 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 원하는 화학조성을 갖는 일정한 두께의 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 장치에 관한 것이다.
기판 상에 박막을 형성하는 경우, 박막의 품질을 향상시키기 위해 일정한 두께 및/또는 원하는 화학조성을 갖는 박막을 형성할 필요가 있을 수 있다. 더 나아가, 기판을 히터를 이용하여 가열하는 경우 기판의 중심부와 가장자리는 그 온도가 서로 다를 수 있다. 이 경우 기판 상에 형성되는 박막이 온도가 비균일한 상태에서 형성될 수 있다. 비균일한 온도에서 두께가 일정치 않는 박막이 형성되면 원하는 물리적 전기적 특성을 기대하기 어려울 수 있다. 따라서, 일정한 온도하에서 균일한 두께를 가지면서 원하는 화학조성을 갖는 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 장치의 필요성이 대두될 수 있다.
본 발명의 목적은 물리적 및 전기적 특성이 우수한 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 기판의 온도편차 내지 온도구배를 없앨 수 있는 박막 형성 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기판 상에 균일한 두께를 갖는 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 원하는 화학조성을 갖는 박막을 형성할 수 있는 박막 형성 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 형성 장치는 용액을 스프레이식으로 기판에 제공할 수 있는 스프레이 노즐을 구비하여 기판 상에 형성되는 박막의 두께를 균일화할 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 기판의 온도를 균일화할 수 있는 히트 스프레더를 더 포함하므로써 기판의 온도편차 내지 온도구배를 없애 우수한 품질의 박막을 형성할 수 있는 것을 다른 특징으로 한다. 본 발명은 박막 형성에 필요한 용액을 공급할 수 있는 구조를 개선하여 원하는 화학조성을 갖는 박막을 형성할 수 있는 것을 또 다른 특징으로 한다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치는, 기판을 수용하는 챔버와; 상기 챔버 내에 설치되어 상기 기판에 용액을 제공하는 스프레이 노즐과; 그리고 상기 챔버 내에 설치되어 상기 기판을 가열하는 히터를 포함할 수 있다. 상기 히터는 상기 기판이 균일한 온도를 갖게끔 가열하고, 상기 스프레이 노즐은 상기 기판에 상기 용액을 스프레이식으로 제공하여 상기 기판 상에 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 히터는 상기 기판을 가열하는 열원과, 상기 열원에서 발생된 열을 전달받아 상기 기판으로 제공하는 히트 스프레더를 포함할 수 있다. 상기 히트 스프레더는 작동유체의 기체-액체 상변화로 상기 열원에서 발생되어 상기 기판으로 전달되는 열을 균일화할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 히트 스프레더는 상기 작동유체의 액체-기체 간의 상변화를 이용하여 상기 기판의 온도구배를 저감시켜 상기 기판의 온도를 균일화할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 스프레이 노즐의 상부에 결합된 높이 조절기를 더 포함하고, 상기 높이 조절기는 상기 스프레이 노즐을 상하 이동시켜 상기 스프레이 노즐과 상기 기판과의 간격을 조정할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 스프레이 노즐과 상기 기판과의 간격을 측정하는 눈금자를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 용액은 다수의 용액들을 포함할 수 있다. 상기 스프레이 노즐은 상기 다수의 용액들의 혼합액을 상기 기판에 제공하거나 혹은 상기 다수의 용액들 각각을 독립적으로 상기 기판에 제공할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 스프레이 노즐은 상기 용액들 각각을 상기 기판에 독립적으로 제공하는 다수의 노즐들을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 박막 형성 장치는, 상기 박막의 두께를 인시튜로 측정하는 센서를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 스프레이 노즐은 회전형 노즐 및 상기 기판과의 간격이 조정되는 높이 가변형 노즐 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 형성 장치는, 가열된 기판 상에 박막이 형성되는 반응이 일어나는 챔버와; 상기 챔버 내에 설치되어 상기 박막 형성에 필요한 용액을 상기 기판에 스프레이하며, 상기 기판과의 간격이 조정되도록 상하 이동 가능한 높이 가변형 제1 노즐을 포함하는 용액 공급부; 그리고 상기 제1 노즐을 마주보도록 상기 챔버 내에 설치되어 상기 기판을 지지하며, 상기 기판을 가열하는데 필요한 열을 발생시키는 열원과 상기 열원에서 발생된 열을 균일화하여 상기 기판에 제공하는 히트 스프레더를 포함하는 히터를 포함할 수 있다.
본 다른 실시예에 있어서, 상기 용액 공급부는, 상기 용액이 저장된 용액통에 연결되고 상기 제1 노즐에 결합되어 상기 용액통으로부터 상기 제1 노즐로 공급되는 상기 용액의 공급 경로를 제공하는 용액 공급관과; 그리고 상기 용액 공급관에 결합되어 상기 용액의 공급량을 제어하는 레귤레이터를 포함할 수 있다.
본 다른 실시예에 있어서, 상기 용액은 다수의 용액들을 포함할 수 있다. 상기 용액 공급부는: 상기 다수의 용액들이 따로이 저장된 다수의 용액통들에 연결되고, 상기 다수의 용액들 각각의 공급 경로를 제공하는 다수의 용액 공급관들과; 그리고 상기 다수의 용액 공급관들 각각에 결합된 다수의 레귤레이터들을 포함할 수 있다.
본 다른 실시예에 있어서, 상기 용액 공급부는 상기 다수의 용액들의 혼합액이 저장된 혼합통으로부터 상기 제1 노즐로 상기 혼합액의 공급 경로를 제공하는 혼합액 공급관을 더 포함할 수 있다.
본 다른 실시예에 있어서, 상기 제1 노즐은 상기 다수의 용액 공급관들 각각과 결합되어 상기 다수의 용액들을 독립적으로 상기 기판에 스프레이하는 다수의 스프레이 노즐들을 포함할 수 있다.
본 다른 실시예에 있어서, 상기 박막 형성 장치는 상기 챔버 내에 설치되어 상기 기판을 세정하는 세정액과 상기 기판을 건조시키는 가스 중 적어도 어느 하나를 상기 기판에 제공하는 제2 노즐을 더 포함할 수 있다.
본 다른 실시예에 있어서, 상기 박막 형성 장치는: 상기 세정액이 저장된 세정액통에 연결되고, 상기 세정액의 상기 제2 노즐로의 공급 경로를 제공하는 세정액 공급관과; 그리고 상기 가스가 저장된 가스통에 연결되고, 상기 가스의 상기 제2 노즐로의 공급 경로를 제공하는 제1 가스 공급관을 더 포함할 수 있다.
본 다른 실시예에 있어서, 상기 박막 형성 장치는 상기 가스통에 연결되고 상기 가스를 상기 제1 노즐로 공급하는 경로를 제공하는 제2 가스 공급관을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 노즐은 상기 용액 공급부로부터 제공된 상기 용액을 상기 제2 가스 공급관을 통해 제공된 상기 가스에 실어 상기 기판으로 스프레이하는 2액형 노즐일 수 있다.
본 다른 실시예에 있어서, 상기 챔버는: 상기 가스 및 상기 용액에서 발산되는 냄새 중 적어도 어느 하나를 배기하는 배기구와; 상기 세정액을 배수하는 배수구와; 상기 기판과 동일한 높이로 설치되어 상기 박막의 두께를 상기 반응이 진행되는 동안 인시튜로 측정하는 두께 센서와; 그리고 상기 챔버의 내부 온도를 측정하는 온도 센서를 포함할 수 있다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 형성 장치는, 열분해 반응으로 기판 상에 박막을 형성하는 공간을 제공하는 반응 챔버와; 상기 반응 챔버의 내부 상부에 설치되어, 상기 박막을 구성하는 성분을 포함하는 액상 케미컬을 상기 기판에 제공하는 스프레이 노즐과; 그리고 상기 반응 챔버의 내부 하부에 설치되어 상기 기판을 지지하며, 상기 열분해 반응에 필요한 열을 발생시키고, 상기 열을 기액 상변화를 통해 균일화하여 상기 기판에 제공하는 히트 스프레더 구조의 평판형 히터를 포함할 수 있다.
본 또 다른 실시예에 있어서, 상기 액상 케미컬은 다종의 액상 케미컬들을 포함할 수 있다. 상기 다종의 액상 케미컬들은 상기 스프레이 노즐로 제공되기 이전에 혼합되어 상기 스프레이 노즐을 통해 상기 기판에 스프레이될 수 있다. 혹은 상기 다종의 액상 케미컬들 각각은 상기 스프레이 노즐로 각각 제공되어 상기 스프레이 노즐을 통해 상기 기판에 독립적으로 스프레이될 수 있다.
본 또 다른 실시예에 있어서, 상기 박막은 CdS, ZnS 혹은 이들의 조합을 포함하는 태양전지의 버퍼층일 수 있다.
본 발명 실시예의 화학 박막 장치에 의하면, 스프레이 노즐 및 히트 스프레더로써 균일한 온도 조건하에서 균일한 두께의 박막, 가령 태양전지의 버퍼층이나 광흡수층을 형성할 수 있어 물리적 및 전기적 특성이 우수한 태양전지 등을 구현할 수 있다. 아울러, 본 실시예의 박막 형성 장치는 스프레이 노즐 및 용액통을 용액별로 저장하고 분사할 수 있어 원하는 화학조성을 갖는 박막을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치에 있어서 노즐을 도시한 구성도.
도 3은 도 2의 변형예를 도시한 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치에 있어서 일부를 발췌하여 도시한 구성도.
도 5는 도 4의 변형예를 도시한 구성도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치에 있어서 일부를 발췌하여 도시한 구성도.
도 7은 도 6의 변형예를 도시한 구성도.
도 8 내지 11은 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치에 있어서 회전형 노즐은 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치에 있어서 노즐을 도시한 구성도.
도 3은 도 2의 변형예를 도시한 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치에 있어서 일부를 발췌하여 도시한 구성도.
도 5는 도 4의 변형예를 도시한 구성도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치에 있어서 일부를 발췌하여 도시한 구성도.
도 7은 도 6의 변형예를 도시한 구성도.
도 8 내지 11은 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치에 있어서 회전형 노즐은 도시한 구성도.
이하, 본 발명에 따른 박막 형성 장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치를 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 박막 형성 장치(1)는 기판(100) 상에 형성되는 박막(110)의 두께를 일정하게 증착할 수 있는 장치일 수 있다. 박막 형성 장치(1)는 기판(100) 상에 박막(110)을 형성하기 위한 물질을 스프레이 방식으로 제공할 수 있도록 구성될 수 있다. 본 실시예에 의하면, 기판(100) 상에 균일한 두께를 갖는 박막(110)을 형성할 수 있다. 박막(110)은 전도체, 절연체, 혹은 이의 조합 물질의 제공에 의해 형성될 수 있다. 아울러, 박막 형성 장치(1)는 기판(100)의 전체 온도를 균일하게 또한 일정하게 설정할 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서, 기판(100)의 온도구배에 따른 박막(110)의 품질 저하를 막아 물리적 전기적 특성이 우수한 박막(110)을 형성할 수 있다.
박막 형성 장치(1)는 기판(100)을 수용하고 박막(110) 형성에 필요한 물질을 스프레이 방식으로 기판(100)에 공급할 수 있는 공간을 제공하는 챔버(60)를 포함할 수 있다. 박막(110) 형성에 필요한 물질은 액상 상태로 챔버(60)로 제공될 수 있다. 본 명세서에서 용액이라 함은 특별한 언급이 없는 한 박막(110)에 형성에 필요한 액상 물질을 가르킨다. 챔버(60)는 진공, 상압, 혹은 고압의 내부 환경이 설정되도록 설계될 수 있다. 아울러, 챔버(60)는 저온, 상온, 혹은 고온 환경이 설정되도록 설계될 수 있다.
박막 형성 장치(1)는 용액을 기판(100)에 제공하는 스프레이 노즐(10)과, 기판(100)을 지지하며 기판(100)에 열을 제공할 수 있는 히터(50)를 포함할 수 있다. 스프레이 노즐(10)과 히터(50)는 챔버(60)의 내부에서 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 일례로, 스프레이 노즐(10)은 챔버(60)의 내부 상측에 마련될 수 있고, 히터(50)는 챔버(60)의 내부 하측에 마련될 수 있다.
스프레이 노즐(10)은 챔버(60)의 외부에 배치된 용액통(40)과 연결된 용액 공급관(41)과 결합될 수 있다. 용액 공급관(41)에는 일정량의 용액이 흐르도록 제어할 수 있는 레귤레이터(150)가 마련될 수 있다. 이에 따라, 스프레이 노즐(10)은 용액통(40)으로부터 일정량의 용액을 제공받아 기판(100)으로 분사할 수 있다. 스프레이 노즐(10)은 내약품성이 좋은 스테인레스 스틸 혹은 플라스틱 재질로 구성될 수 있다. 스프레이 노즐(10)은 용액 이외에 용액을 분사시키기 위한 운반가스가 더 유입될 수 있도록 설계된 2액형 노즐일 수 있다. 가령, 스프레이 노즐(10)은 챔버(60)의 외부에 배치된 운반가스통(30)과 연결된 운반가스 공급관(31)과 더 결합될 수 있다. 이에 따라, 스프레이 노즐(10)은 용액통(40)으로부터 용액을 제공받고 운반가스통(30)으로부터 운반가스를 제공받을 수 있다. 용액 공급관(41)을 통해 제공된 용액은 운반가스 공급관(31)을 통해 제공된 운반가스에 의해 실려져 스프레이 노즐(10)로부터 분사되어 기판(100)으로 제공될 수 있다. 용액은 박막(110) 형성에 필요한 어떠한 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 운반가스는 질소나 에어 혹은 이들의 조합일 수 있다. 에어는 오일 프리 에어(oil free air)일 수 있다.
스프레이 노즐(10)은 노즐 컨트롤러(20)와 전기적 혹은 이와 유사한 방식으로 연결되어, 용액의 분무 시간이 조절될 수 있다. 스프레이 노즐(10)을 통해 분사되는 용액이 다수인 경우 또는 용액별로 스프레이 노즐(10)이 다수 마련된 경우, 용액별 분무 시간 및 순서는 노즐 컨트롤러(20)에 의해 제어될 수 있다.
스프레이 노즐(10)과 기판(100) 사이의 간격이 작으면 기판(100)에 제공되는 용액의 분사 면적이 작아질 수 있다. 이 경우, 박막(110)은 기판(100)의 중심에서는 두껍게 형성되고 기판(100)의 가장자리에서는 얇게 형성될 수 있다. 따라서, 스프레이 노즐(10)과 기판(100) 사이의 간격을 조절 가능한 것이 바람직하다. 본 실시예에 의하면, 스프레이 노즐(10)은 높이 조절기(80)와 조합될 수 있다. 높이 조절기(80)는 나사 구조를 포함할 수 있고, 높이 조절기(80)의 회전에 의해 스프레이 노즐(10)이 상하로 이동되어 그 높이가 조절될 수 있다. 또는, 높이 조절기(80)는 피스톤처럼 상하 이동할 수 있게 설계될 수 있다. 높이 조절기(80)의 작동에 의해 기판(100)과 스프레이 노즐(10) 간의 간격이 원하는 만큼 조정될 수 있다.
도 2는 도 1의 노즐을 도시한 구성도이고, 도 3은 도 2의 변형예를 도시한 구성도이다.
도 2를 도 1과 같이 참조하면, 박막 형성 장치(1)에는 스프레이 노즐(10)의 높이를 용이하게 알 수 있는 눈금자(12)가 더 제공될 수 있다. 눈금자(12)는 챔버(60)에 마련된 윈도우(미도시)를 통해 외부에서 확인 가능하게 마련될 수 있다. 일례로, 높이 조절기(80)에 눈금자(12)가 마련될 수 있다. 높이 조절기(80)가 나사 구조로 된 경우 높이 조절기(80)의 회전에 의해 눈금자(12)의 눈금 갯수 혹은 눈금이 가리키는 수치가 달라지므로 이를 통해 스프레이 노즐(10)의 높이를 가늠할 수 있다. 높이 조절기(80)가 피스톤 구조로 된 경우 높이 조절기(80)의 상하 이동에 의해 눈금자(12)의 눈금 갯수 혹은 눈금이 가리키는 수치가 달라지므로 스프레이 노즐(10)의 높이를 용이하게 알 수 있다. 본 실시예에 의하면, 눈금자(12)로써 스프레이 노즐(10)의 높이를 알 수 있어서 스프레이 노즐(10)과 기판(100)과의 간격을 용이하게 측정하거나 조정할 수 있다.
도 3을 도 1과 같이 참조하면, 다른 예로 챔버(60)는 프레임(14)을 더 포함할 수 있고 눈금자(12)는 프레임(14)에 부착될 수 있다. 다르게, 프레임(14) 자체에 눈금이 그려져 눈금자(12)가 구현될 수 있다. 프레임(14)은 챔버(60) 내에 고정 설치될 수 있다. 일례로, 프레임(14)은 스프레이 노즐(10) 전체 혹은 일부를 감싸는 구조, 스프레이 노즐(10)에 인접한 위치에 플레이트 혹은 기둥 구조, 또는 챔버(60)의 내측벽 자체에 혹은 내측벽과 이격된 위치에 플레이트 혹은 기둥 구조로 설계될 수 있다. 프레임(14)은 스프레이 노즐(10)로부터 분사되는 용액과 간섭되지 않는 위치 및 구조로 설계되는 것이 바람직하다.
도 1을 다시 참조하면, 박막 형성 장치(1)는 기판(100)의 세정 및/또는 건조를 위한 노즐(130)을 더 포함할 수 있다. 노즐(130)은 챔버(60)의 내부 상측에, 가령 스프레이 노즐(10) 옆에 마련될 수 있다. 노즐(130)은 건조에 필요한 가스가 흐르는 건조가스 공급관(32) 및/또는 세정에 필요한 세정액이 흐르는 세정액 공급관(141)과 결합될 수 있다. 본 실시예에 의하면, 노즐(130)은 건조가스 공급관(32) 및 세정액 공급관(141)과 결합되어 건조용 및 세정용으로 공동으로 사용될 수 있다. 다른 예로, 노즐(130)은 건조가스 공급관(32)과 결합된 건조용 노즐과 세정액 공급관(141)과 결합된 세정용 노즐로 구분될 수 있다. 세정액으로서 초순수(DIW)를 채택할 수 있고, 챔버(60)의 외부에 세정액통(140)이 마련될 수 있다. 세정가스로서 질소나 오일 프리 에어 혹은 이들의 조합을 채택할 수 있다. 본 실시예에 의하면, 운반가스는 세정가스로도 사용될 수 있다.
챔버(60)는 세정액 및/또는 잔존 분무액을 배수하기 위한 배수구(61)를 포함할 수 있다. 배수구(61)는 챔버(60)의 하부에 마련될 수 있다. 챔버(60)는 박막(110) 형성 후 잔류하는 가스 및/또는 용액 냄새를 배기하기 위한 배기구(62)를 포함할 수 있다. 배기구(62)는 챔버(60)의 측면에 마련될 수 있다.
박막 형성 장치(1)는 박막(110)의 두께를 측정할 수 있는 센서(90)를 더 포함할 수 있다. 센서(90)는 기판(100)과 동일 유사한 높이로 챔버(60)의 내부에 설치될 수 있다. 일례로, 센서(90)는 박막(110)의 두께를 인시튜(in-situ)로 측정할 수 있는 수정 발진자 마이크로 밸런스(Quartz Cristal Micro Balance)를 포함할 수 있다. 센서(90)는 센서 컨트롤러(190)와 전기적으로 혹은 이와 유사한 방식으로 연결되어 센싱 동작이 제어될 수 있다. 박막 형성 장치(1)는 챔버(60)의 내부 온도를 감지할 수 있는 온도 센서(92)를 더 포함할 수 있다. 온도 센서(92)는 챔버(60)의 내벽에 설치될 수 있으며, 그 설치 위치는 이에 한정되지 않는다.
일반적으로, 박막(110)의 두께 조절은 시간당 박막(110)의 증착속도를 실험적으로 산출한 후 역으로 공정 시간 조절에 의해 박막(110)의 두께를 조절한다. 박막(110)의 정확한 두께는 공정 완료후 프로파일러(profiler)나 주사전자현미경(SEM) 등과 같은 장비를 이용하여 측정한다. 그러나, 본 실시예에 의하면 박막(110)의 두께를 박막 형성 공정과 인시튜로 정확하며 신속하게 측정할 수 있다. 따라서, 박막(110) 형성 후 측정하는 것에 비해 측정 시간이 절약되며 기판(100)의 손상도 피할 수 있다.
히터(50)는 히터 컨트롤러(70)와 전기적 혹은 이와 유사한 방식으로 연결되어 그 작동이 제어될 수 있다. 히터(50)는, 예를 들면, 열원(51)과 히트 스프레더(52: heat spreader)를 포함하는 평판형 구조를 가질 수 있다. 열원(51)에서 발생된 열은 복사(radiation), 전도(conduction) 혹은 이들의 조합에 의해 기판(100)으로 전달될 수 있다. 히트 스프레더(52)는 기판(100)의 온도편차 내지 온도구배를 없애거나 최소화하기 위해 열원(51) 자체가 가지는 온도 불균일성을 해소하기 위해 제공될 수 있다.
열원(51)은 그래파이트 구조, 스테인레스 재질의 열선 구조, 혹은 할로겐 램프 구조로 설계될 수 있다. 일반적으로 할로겐 램프는 다소 큰 온도구배를 갖는다고 알려져 있어 작은 온도구배가 요구되는 공정에 적합하지 않는 경우가 많을 수 있다. 그러나, 본 실시예에 의하면 열원(51)이 큰 온도구배를 갖는 구조라 할지라도 히트 스프레더(52)에 의해 온도를 균일하게 설정할 수 있어 열원(51)의 구조나 종류에 영향을 받지 않는다. 이와 같이, 열원(51)에서 발산되는 열유속이 불균일한 분포를 가지더라도 히트 스프레더(52)에 열이 전달되면 히트 스프레더(52)의 우수한 열전달 능력에 의해 균일화된 열 분포를 나타내게 된다. 히트 스프레더(52)로 제공된 열은 균일한 온도 분포를 갖게 되어 기판(100)으로 전달될 수 있다.
히트 스프레더(52)는 작동유체의 기체-액체 상변화를 통해 상기 열원(51)에서 발생되어 상기 기판(100)으로 전달되는 열을 균일화할 수 있다. 일례로, 열원(51)에서 발생된 열이 히트 스프레더(52)에 도달되면 히트 스프레더(52) 내에 분포된 작동유체(예: 액체)가 가열되어 기화된다. 기화된 작동유체(예: 증기)는 잠열 형태의 열을 가지고 상대적으로 온도가 낮은 히트 스프레더(52)의 임의의 위치로 이동하여 열을 소산(dissipation)한 후 응축한다. 응축된 작동유체는 상대적으로 높은 위치로 이동하는 순환한다. 이와 같은 순환방식으로 히트 스프레더(52)는 구동할 수 있다. 히트 스프레더(52)는 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 한국등록특허 제10-0833497호에 개시된 전자기기용 열균일화 장치를 포함할 수 있다. 상기 문헌은 본 명세서에 참조문헌으로 결합되며, 상기 문헌에 개시된 내용은 본 명세서에 포함되는 내용으로 간주된다.
박막(110)을 형성하기 위해 다수 종류의 용액이 필요한 경우가 있을 수 있다. 이 경우 다종의 용액들을 혼합하여 용액통(40)에 저장하여 스프레이 노즐(10)을 통해 기판(100)으로 분무할 수 있다. 그렇지만, 용액통(40)에 저장된 혼합액에 용액 침전물이 생겨 원하는 조성비를 갖는 박막(110)을 형성하는 것이 어려울 수 있다. 또한, 혼합 비율을 변경하기 위해서는 기존의 용액들을 버리고 새로운 용액을 준비하여야 하므로 용액이 과다하게 소비될 수 있다. 따라서, 이하에서 설명한 바와 같이 용액들을 종류별로 저장할 수 있는 다수의 용액통(40)을 준비하는 것이 바람직하다 할 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치에 있어서 일부를 발췌하여 도시한 구성도이고, 도 5는 도 4의 변형예이다.
도 4를 도 1과 같이 참조하면, 박막 형성 장치(1)는 다종의 용액들을 각각 저장할 수 있는 다수의 용액통(40a,40b,40b)과, 용액통들(40a-40c)에 연결된 다수의 용액 공급관(41a,41b,41c)과, 다종의 용액들이 스프레이 노즐(10)로 제공되기 이전에 혼합되어 임시로 저장되는 혼합통(80)과, 혼합액을 혼합통(80)으로부터 스프레이 노즐(10)로 제공하는 혼합액 공급관(81)을 포함할 수 있다. 용액 공급관들(41a-41c)에는 용액들의 일정량이 흐르도록 제어하는 레귤레이터들(150a,150b,150c)이 조합될 수 있다. 본 실시예에 의하면, 다종의 용액들이 대응되는 용액통들(40a-40c) 각각에 저장되고, 용액들은 혼합통(80)에서 혼합된 후 스프레이 노즐(10)로 제공되어 히터(50) 상에 로딩된 기판(100) 상에 분무되므로써 혼합액으로 이루어지는 박막(110)이 형성된다. 레귤레이터들(150a-150c)로써 용액들 공급량을 조절하므로써 혼합액의 조성비를 적절하게 변경할 수 있다. 이외는 도 1의 구성과 동일 유사할 수 있다.
도 5를 참조하면, 다수의 스프레이 노즐(10)이 가령 일렬로 배열된 노즐 그룹(15)이 혼합액 공급관(81)에 결합될 수 있다. 본 실시예에 의하면, 혼합액이 기판(100)에 더 골고루 분무될 수 있어서 박막(110)의 두께 균일도가 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치에 있어서 일부를 발췌하여 도시한 구성도이고, 도 7은 도 6의 변형예이다.
도 6을 도 1과 같이 참조하면, 박막 형성 장치(1)는 다종의 용액들을 각각 저장할 수 있는 다수의 용액통(40a,40b,40b)과, 용액통들(40a-40c)에 연결된 다수의 용액 공급관(41a,41b,41c)과, 용액 공급관들(41a-41c) 각각과 연결된 다수의 스프레이 노즐(10a,10b,10c)을 구비한 노즐 그룹(15a)을 포함할 수 있다. 용액 공급관들(41a-41c)에는 용액들의 일정량이 흐르도록 제어하는 레귤레이터들(150a,150b,150c)이 조합될 수 있다. 용액들 각각은 노즐 컨트롤러(20)에 의해 분무 시간 및 분무 순서가 조정될 수 있다. 본 실시예에 의하면, 용액들 각각이 대응되는 용액통들(40a-40c)에 저장되고, 용액들은 용액 공급관들(41a-41c) 각각을 통해 대응되는 스프레이 노즐들(10a-10c) 각각으로 제공되어 기판(100) 상에 독립적으로 분무될 수 있다. 이 경우 용액들이 기판(100)으로 제공되기 전까지는 전혀 혼합되지 않으므로 용액 혼합에 따른 침전물이 생길 여지가 없다. 따라서, 침전물 발생에 따른 조성비 변경이 일어나지 않으므로 원하는 조성비를 갖는 박막(110)을 형성할 수 있다.
도 7을 참조하면, 용액 공급관들(41a-41c) 각각과 결합된 다수의 스프레이 노즐(10a-10c)을 포함하는 노즐 그룹(15b)이 용액 공급관들(41a-41c)에 결합될 수 있다. 일례로, 제1 용액 공급관(41a)에 다수의 제1 스프레이 노즐(10a)이 결합될 수 있다. 마찬가지로, 제2 용액 공급관(41b)에 다수의 제2 스프레이 노즐(10b)이 결합될 수 있고, 제3 용액 공급관(41c)에 다수의 제3 스프레이 노즐(10c)이 결합될 수 있다. 본 실시예에 의하면, 용액들 각각은 스프레이 노즐들(10a-10c)에 의해 기판(100) 상에 더 골고루 독립적으로 분무될 수 있다.
도 8 내지 11은 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 장치에 있어서 회전형 노즐은 도시한 구성도이다.
도 8을 참조하면, 스프레이 노즐(10)은 기판(100)에 대해 일정 각도 기울어져 회전할 수 있게 설계될 수 있다. 본 실시예에 의하면, 스프레이 노즐(10)이 기판(100)에 대해 수직 상태로 설치되어 비회전하는 경우에 비해 용액을 기판(100) 상에 더 골고루 분무할 수 있어 박막(110)의 두께 균일도를 더 높일 수 있다. 다른 예로, 스프레이 노즐(10)이 그 중심축(A-A')을 중심으로 회전 가능하게 설계될 수 있다. 이 경우, 스프레이 노즐(10)은 기판(100)에 대해 수직 상태로 설치되거나 혹은 경사진 상태로 설치될 수 있다. 유사하게, 도 6에 도시된 노즐 그룹(15a)이 기판(100)에 대해 기울어져 회전하거나, 노즐 그룹(15a)이 그 중심축을 중심으로 회전하거나, 또는 이들 2가지 방식이 조합되어 회전할 수 있게 설계될 수 있다.
도 9를 참조하면, 스프레이 노즐(10)은 기판(100)의 중심축(B-B')을 중심으로 회전할 수 있다. 이 경우, 스프레이 노즐(10)은 기판 중심축(B-B')으로부터 벗어난 위치에 배치될 수 있다. 본 실시예에 의하면, 기판(100) 상에서의 스프레이 노즐(10)의 이동 자취는 원형을 이루므로 용액의 분무 지점이 더 분산될 수 있다. 도 6의 노즐 그룹(15a) 역시 그러할 수 있다.
도 10을 참조하면, 도 5에 도시된 스프레이 노즐들(10)을 포함하는 노즐 그룹(15)은 그 중심축(C-C')을 중심으로 회전할 수 있게 설계할 수 있다. 본 실시예에 의하면, 일렬 배열된 스프레이 노즐들(10)에 의해 용액이 기판(100)에 골고루 제공되고 이에 더하여 스프레이 노즐들(10)의 회전에 의해 용액 제공이 더 균일화될 수 있다.
도 11을 참조하면, 도 7에 도시된 스프레이 노즐들(10a-10c)을 포함하는 노즐 그룹(15b)을 그 중심축(D-D')을 중심으로 회전할 수 있게 설계할 수 있다. 이에 따라 용액들 각각이 스프레이 노즐들(10a-10c)을 통해 기판(110)의 전면에 골고루 분무될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 본 실시예의 박막 형성 장치(1)는 반도체 공정에 사용될 수 있다. 일례로, 박막 형성 장치(1)는 기판(100) 상에 전도체나 절연체 등 각종의 박막(110)을 형성하기 위해 화학기상증착(CVD) 장비로 채택될 수 있다. 본 실시예에 의하면, 챔버(60)는 가열된 기판(100) 상에 열분해(pyrolysis) 공정으로 박막(110)을 형성하는 반응 챔버일 수 있다. 박막 형성 장치(1)는 히트 스프레더(52)를 포함하고 있어 기판(100)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다. 따라서, 박막 형성 장치(1)는 균일한 기판 온도가 필요한 공정에 더 유용하게 쓰일 수 있다. 아울러, 박막 형성 장치(1)는 용액을 스프레이 방식으로 분사할 수 있는 스프레이 노즐(10)을 포함하므로, 균일한 두께의 박막(110) 형성에 유용하게 쓰일 수 있다.
일례로, 박막(110)은 태양전지의 버퍼층일 수 있다. 태양전지는 pn접합을 포함하며, pn간의 광기전력(photovoltage)을 발생시키는 태양광 발전의 핵심소자이다. 태양전지는 상하전극(예: 유리) 사이에 p형 반도체인 광흡수층(예: CuInSe2)과 n형 반도체인 윈도우층(예: ZnO)이 적층되고, 광흡수층과 윈도층간의 양호한 pn접합을 위해 밴드갭이 이들 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 광흡수층과 윈도우층 사이에 형성되는 것이 일반적이다. 버퍼층은 가령 CdS, ZnS 등으로 형성할 수 있고, In, Ga, Al 등을 도핑하여 낮은 저항값을 얻을 수 있다. 버퍼층의 특성을 결정하는 가장 중요한 변수로는 증착 온도, 용액의 pH, 박막 두께 등이다.
본 실시예에 의하면, 버퍼층의 특성을 결정짓는 가장 중요한 변수인 공정 온도와 박막 두께를 정확하게 제어할 수 있다. 일례로, 스프레이 노즐(10)을 통해 액상 케미컬을 스프레이식으로 기판(100)에 제공하여 열분해 반응으로 박막(110), 즉 버퍼층을 균일한 두께로 형성할 수 있다. 이에 더하여, 스프레이 노즐(10)의 높이 조정 및/또는 회전 동작에 의해 버퍼층의 두께 균일도는 더 향상될 수 있다. 아울러, 센서(90)를 통해 버퍼층의 두께를 인시튜로 측정할 수 있어 공정 완료후 두께를 측정하는 것에 비해 두께 측정의 정확도 및 공정 시간의 단축을 구현할 수 있다.
박막 형성에 필요한 물질, 가령 Cd, Zn, S가 포함된 액상 케미컬들을 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이 각 용액통(40a-40c)에 따로이 저장할 수 있어 액상 케미컬의 혼합에 따른 침전물 발생이 없어지고 화학조성이 균일한 버퍼층을 형성할 수 있다. 게다가 액상 케미컬들 각각을 노즐 컨트롤러(20)에 의해 제공 순서를 자유롭게 변화시킬 수 있고 레귤레이터(150a-150c)를 이용하여 액상 케미컬들의 공급량을 적절히 제어하므로써 원하는 화학조성의 버퍼층을 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 히트 스프레더(52)에 의해 기판(100)의 온도를 균일화할 수 있다. 400 내지 500℃ 정도의 고온으로 설정하여 버퍼층을 형성하는 경우, 기판(100)의 중심부와 가장자리는 크게는 30 내지 40℃ 정도의 차이가 있을 수 있다. 기판(100)의 온도가 지점에 따라 차이가 있는 상태로 버퍼층이 형성되면, 버퍼층의 두께가 비균일화되고 이에 더하여 물리적 및 전기적 특성이 달라질 수 있다. 그러나, 본 실시예에 의하면, 히트 스프레더(52)에 의해 기판(100)의 온도편차 내지는 온도구배가 없어져 기판(100)의 온도 균일도가 대략 1% 내외로 유지될 수 있어 상기와 같은 문제점이 해결될 수 있다.
박막(110)이 태양전지의 버퍼층인 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이러한 예는 버퍼층에 한정되지 아니하며 가령 박막(110)은 태양전지의 광흡수층 및 윈도우층일 수 있다. 더 나아가 기판(100)은 그 재질에 한정되지 아니하며, 박막(110) 역시 각종의 전자 소자 박막이 될 수 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (20)
- 기판을 수용하는 챔버와;
상기 챔버 내에 설치되어 상기 기판에 용액을 제공하는 스프레이 노즐과; 그리고
상기 챔버 내에 설치되어 상기 기판을 가열하는 히터를 포함하고,
상기 히터는:
상기 기판을 가열하는 열원과; 그리고
상기 열원에서 발생된 열을 전달받아 상기 기판에 제공하는 히트 스프레더를 포함하고,
상기 히트 스프레더는 작용유체의 기체-액체 상변화로 상기 열원에서 발생되어 상기 기판을 전달되는 열을 균일화하는 박막 형성 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 스프레이 노즐의 상부에 결합된 높이 조절기를 더 포함하고, 상기 높이 조절기는 상기 스프레이 노즐을 상하 이동시켜 상기 스프레이 노즐과 상기 기판과의 간격을 조정하는 박막 형성 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스프레이 노즐과 상기 기판과의 간격을 측정하는 눈금자를 더 포함하는 박막 형성 장치. - 제1항에 있어서,
상기 용액은 다수의 용액들을 포함하고,
상기 스프레이 노즐은 상기 다수의 용액들의 혼합액을 상기 기판에 제공하거나 혹은 상기 다수의 용액들 각각을 독립적으로 상기 기판에 제공하는 박막 형성 장치. - 제5항에 있어서,
상기 스프레이 노즐은 상기 다수의 용액들 각각을 상기 기판에 독립적으로 제공하는 다수의 노즐들을 포함하는 박막 형성 장치. - 제1항에 있어서,
상기 박막의 두께를 인시튜로 측정하는 센서를 더 포함하는 박막 형성 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스프레이 노즐은 회전형 노즐 및 상기 기판과의 간격이 조정되는 높이 가변형 노즐 중 적어도 어느 하나인 박막 형성 장치. - 가열된 기판 상에 박막이 형성되는 반응이 일어나는 챔버와;
상기 챔버 내에 설치되어 상기 박막 형성에 필요한 용액을 상기 기판에 스프레이하며, 상기 기판과의 간격이 조정되도록 상하 이동 가능한 높이 가변형 제1 노즐과 상기 챔버 내에 설치되어 상기 기판을 세정하는 세정액을 상기 기판에 스프레이하는 제2 노즐을 포함하는 용액 공급부; 그리고
상기 제1 노즐을 마주보도록 상기 챔버 내에 설치되어 상기 기판을 지지하며, 상기 기판을 가열하는데 필요한 열을 발생시키는 열원과 상기 열원에서 발생된 열을 균일화하여 상기 기판에 제공하는 히트 스프레더를 포함하는 히터를;
포함하는 박막 형성 장치. - 제9항에 있어서,
상기 용액 공급부는:
상기 용액이 저장된 용액통에 연결되고, 상기 제1 노즐에 결합되어 상기 용액통으로부터 상기 제1 노즐로 공급되는 상기 용액의 공급 경로를 제공하는 용액 공급관과; 그리고
상기 용액 공급관에 결합되어 상기 용액의 공급량을 제어하는 레귤레이터를;
포함하는 박막 형성 장치. - 제9항에 있어서,
상기 용액은 다수의 용액들을 포함하고,
상기 용액 공급부는:
상기 다수의 용액들이 따로이 저장된 다수의 용액통들에 연결되고, 상기 다수의 용액들 각각의 공급 경로를 제공하는 다수의 용액 공급관들과; 그리고
상기 다수의 용액 공급관들 각각에 결합된 다수의 레귤레이터들을;
포함하는 박막 형성 장치. - 제11항에 있어서,
상기 용액 공급부는 상기 다수의 용액들의 혼합액이 저장된 혼합통으로부터 상기 제1 노즐로 상기 혼합액의 공급 경로를 제공하는 혼합액 공급관을 더 포함하는 박막 형성 장치. - 제11항에 있어서,
상기 제1 노즐은 상기 다수의 용액 공급관들 각각과 결합되어 상기 다수의 용액들을 독립적으로 상기 기판에 스프레이하는 다수의 스프레이 노즐들을 포함하는 박막 형성 장치. - 제9항에 있어서,
상기 제2 노즐은 상기 세정액과 함께 혹은 상기 세정액과 별개로 상기 기판을 건조시키는 가스를 상기 기판에 제공하는 박막 형성 장치. - 제14항에 있어서,
상기 세정액이 저장된 세정액통에 연결되고, 상기 세정액의 상기 제2 노즐로의 공급 경로를 제공하는 세정액 공급관과; 그리고
상기 가스가 저장된 가스통에 연결되고, 상기 가스의 상기 제2 노즐로의 공급 경로를 제공하는 제1 가스 공급관을;
더 포함하는 박막 형성 장치. - 제15항에 있어서,
상기 가스통에 연결되고, 상기 가스를 상기 제1 노즐로 공급하는 경로를 제공하는 제2 가스 공급관을 더 포함하고;
상기 제1 노즐은 상기 용액 공급부로부터 제공된 상기 용액을 상기 제2 가스 공급관을 통해 제공된 상기 가스에 실어 상기 기판으로 스프레이하는 2액형 노즐인 박막 형성 장치. - 제14항에 있어서,
상기 챔버는:
상기 가스 및 상기 용액에서 발산되는 냄새 중 적어도 어느 하나를 배기하는 배기구와;
상기 세정액을 배수하는 배수구와;
상기 기판과 동일한 높이로 설치되어 상기 박막의 두께를 상기 반응이 진행되는 동안 인시튜로 측정하는 두께 센서와; 그리고
상기 챔버의 내부 온도를 측정하는 온도 센서를;
포함하는 박막 형성 장치. - 열분해 반응으로 기판 상에 박막을 형성하는 공간을 제공하는 반응 챔버와;
상기 반응 챔버의 내부 상부에 설치되어, 상기 박막을 구성하는 성분을 포함하는 액상 케미컬을 상기 기판에 제공하는 스프레이 노즐과; 그리고
상기 반응 챔버의 내부 하부에 설치되어 상기 기판을 지지하며, 상기 열분해 반응에 필요한 열을 발생시키고, 상기 열을 기액 상변화를 통해 균일화하여 상기 기판에 제공하는 히트 스프레더 구조의 평판형 히터를;
포함하는 박막 형성 장치. - 제18항에 있어서,
상기 액상 케미컬은 다종의 액상 케미컬들을 포함하고,
상기 다종의 액상 케미컬들은 상기 스프레이 노즐로 제공되기 이전에 혼합되어 상기 스프레이 노즐을 통해 상기 기판에 스프레이되거나, 혹은
상기 다종의 액상 케미컬들 각각은 상기 스프레이 노즐로 각각 제공되어 상기 스프레이 노즐을 통해 상기 기판에 독립적으로 스프레이되는 박막 형성 장치. - 제18항에 있어서,
상기 박막은 CdS, ZnS 혹은 이들의 조합을 포함하는 태양전지의 버퍼층인 박막 형성 장치.
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| KR1020100020912A KR101306986B1 (ko) | 2010-03-09 | 2010-03-09 | 박막 형성 장치 |
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